如果一场大规模的太阳风暴袭击地球,将会发生什么?

我们都知道,暴风雨可能会造成严重毁损,洪水会淹没城市,基础设施也会被摧毁。但比暴风雨更让人担心的是:太空的天气。如果一场巨大的太阳风暴袭击我们,我们的技术就会覆灭,整个星球将会变得黑暗。

美国国家海洋和大气管理局(NOAA—National Oceanic and Atmospheric Administration)空间气象预报中心主任托马斯·伯格对吉兹莫多说:“如今,我们比过去对技术更加依赖,也就更容易受到太空气象的影响。如果我们今天受到了极端事件的袭击,我们将很难做出响应。”

“太阳风暴”是一个通用的术语,用来描述太阳抛向我们的大量物质,包括X射线、带电粒子和磁化等离子体。自19世纪中叶以来,还没有发生过大规模的太阳风暴,但太空气象科学家们却非常担心风暴会再次发生。

太阳耀斑

太阳风暴通常始于太阳耀斑——太阳表面发生巨大爆炸,将能量和粒子输送到太空。小型C级耀斑时有发生,但是因为它太弱,故不会影响地球;而中型M级耀斑会产生轻微的无线电干扰。此外,X级耀斑是太阳系中发生的最猛烈的爆炸,它会释放出相当于10亿颗氢弹那么高的能量。这些爆发很少发生,但一旦发生,便是史诗般的景象。

现代仪器测量到的最强烈的耀斑之一发生在2003年的太阳活动高峰期。它太强烈了,以至于超过了我们卫星传感器的极限,该卫星传感器记录了X-28(比X-1耀斑高28个等级,而X-1耀斑本身比M1型耀斑大10倍)。该事件如下图所示:

2003年,太阳和日球层探测器(SOHO—Solar and Heliospheric Observatory)捕捉到了这一史诗般的太阳耀斑。图像来源:欧洲空间局/美国国家航天局—太阳和日球层探测器

尽管观测耀斑已有一个多世纪,但是科学家们仍然不能完全确定到底是什么原因导致耀斑出现。我们确信耀斑与太阳强大磁场的扰动有很大关系,磁场会在太阳周期(大约11年)中振荡。

太空气象学家乔·古尔曼在接受来自美国宇航局戈达德航天中心的吉兹莫多的采访时说:“太阳风暴起源于太阳表面爆发的磁性特征,我们称这些为活跃区域或者太阳黑子。当它们变得巨大丑陋,这表明磁场正在迅速变化。磁场迅速变化,似乎就是太阳活动的原因(或与其原因相关)。”

中到大型的太阳耀斑会向地球发射高能辐射波,即X射线和紫外线。这些类型的辐射的能量足以将电子从原子上剥离下来,这正是当辐射撞击我们的大气层(称为电离层)上部时发生的事情。基本上,天空会受到巨大电磁脉冲的冲击。但根据伯格的说法,即使是最大的耀斑也不会对人类造成太大的影响。

伯格说:“这是一个巨大的电磁脉冲,它搅动电离层,导致电离层膨胀。但太阳耀斑确实不会对技术造成毁坏。”唯一的例外是无线电,当大气层负载了过多电荷时,地球和轨道卫星之间的无线电信号可能会被屏蔽。伯格指出:“无线电通信有时会受到影响,在地平线上无线电广播变得困难。当飞机飞越极地时,它们与控制中心通信的唯一方式是通过高频无线电波在各个大陆上的反射。但这只是暂时的,通信困难最多只能持续10分钟到几个小时。”

2012年3月6日,美国国家宇航局捕获了X级耀斑。图片来源:美国国家航空航天局戈达德航天中心/Flickr

我们没有很好的预测太阳耀斑的方法,又因为太阳耀斑到达地球的速度太快(与正常的太阳光一样,太阳耀斑的辐射到达地球大约需要8分钟),所以美国国家海洋和大气管理局无法提前通知航空公司。伯格说:“我们唯一能做的就是在观测到太阳耀斑时立即发出警报,航空公司非常重视耀斑对高频通信的影响,如果真的有重大耀斑事件发生,他们会考虑停飞航班。”如果你不是航空公司的运营商,你几乎可以坐视不管。但不要忘记时不时地去美国宇航局的太阳动力学天文台上看看这些惊人的图像。

带电粒子

在太阳耀斑的辐射到达天空的几分钟到几个小时之后,一束带电粒子(电子和质子)就会到达地球,它们会轰击磁层(磁层是我们的磁场在地球周围形成的保护层)。伯格说:“我们看到辐射等级有时会上升,这表明粒子正在撞击地球。”

落入地球大气层中的带电粒子形成了北极光。图像来源:亚当·伍德沃思

偶尔,大量带电粒子会撞击轨道卫星并损坏其电子设备。粒子辐射对太空中的人类的健康也构成了很大的风险。

古尔曼说:“我们的确需要担心到达国际空间站(ISS—International Space Station)的高能粒子,如果有一天我们到了太空竞争的地步,那么高能粒子将会更值得关注。”但总的来说,在很大程度上,太阳粒子辐射会被磁层和大气层缓冲。接下来的事才是我们在地表需要担心的事情。

日冕物质抛射

当太阳爆发耀斑时,有时会喷射出一团巨大的磁化等离子体云进入太空,这被称为日冕物质抛射(CME—Coronal Mass Ejections)。日冕物质抛射是太阳活动中最慢的一种形式,它需要12小时甚至几天才能到达地球。但是它们也是目前为止最危险的。

幸运的是,由于日冕物质抛射移动缓慢,我们的空间气象预报员有更多的时间来预测它们。他们会对从太阳和日球层探测器(SOHO—Solar and Heliospheric Observatory)和日地关系观测台(STEREO—Solar Terrestrial Relation Observatory)提取出的太阳图像进行观测。当我们的天文台观测到较大的事件时,美国国家海洋和大气管理局就会对此做出响应预案。

伯格概述了接下来会发生的事情:“当我们看到太阳活动产生的东西向地球行进时,就会进行密切监视。比如,如果有大型日冕物质抛射,我们认为可能会对地球有较大影响,我们就会进行监视。”

日冕物质抛射会从太阳直接抛射出来,很有可能不会到达地球。如果日冕物质抛射直冲我们,它将首先撞击美国宇航局的高新化学组成探测器(ACE—Advanced Composition Explorer),该卫星位于距地球大约160万公里(100,0000英里)的第一拉格朗日点(L1)。如果发生这种情况,在等离子体从天上倾泻而下,并与地球的磁层相互作用引发地磁暴之前,我们有30分钟到1个小时的时间。从这时起,你就可以看到日冕物质抛射对地球上电力输送网的影响了。

艺术家对太阳风与地球磁层碰撞的描绘。图片来源:美国国家航空航天宇航局/维基

“这会在地球的上层大气中产生巨大的电流,”伯格说,“根据大地导电性的不同,有可能通过发电站获取巨大电流,并将其馈送到电网中。”这是个坏消息,因为“我们的电网不是为从地下涌出的大量电流而设计的。” 地磁风暴强度由“地磁扰动指数 (Dst)”来表示,它本质上描述了日冕物质抛射引起的地球磁场扰动的强烈程度。普通磁暴的Dst值为-50nT(nT纳特斯拉,地球物理常用磁通密度单位)附近,它虽然会导致北极光的爆发,但不会影响到我们。1989年3月,太空时代最严重的地磁风暴摧毁了魁北克全省的电力,其强度为Dst=-600nT。

但与卡林顿事件(一场156年前席卷地球的地磁暴)相比,即使是1989年的磁暴也显得微不足道。当时的损害并不算严重,但是现在,一场与卡林顿事件相似的磁暴可能就会带来严重灾难。

超级磁暴

1859年9月的卡林顿事件是以英国天文学家理查德·卡林顿命名的,他亲眼目睹了太阳耀斑。在卡林顿观测之后的几天里,一系列强大的日冕物质抛射直接正面撞击了地球,在十分偏南的古巴都能看到北极光爆发。电流导致电报线路带电,并引燃了电报文件,造成大规模的通讯中断,这使技术人员感到震惊。现代估计这场磁暴的强度范围从-800nT到-1750nT不等。

下次卡林顿规模的磁暴袭击时,这里就会变得越来越暗。图像提供:美国国家航空航天宇航局地球观测站

今天的人类社会比156年前更加依赖电力。伯格指出,今天我们有了管道、输电网以及更多的地面导电技术。那么,如果现在类似卡林顿这样规模的磁暴袭击了我们,将会发生什么?根据美国国家科学院的一份报告,现代世界的方方面面几乎都会受到打击。

大型地磁风暴引起的大地电流可以熔化位于配电系统中心的变压器的铜绕组。如果发生这种情况,就会导致大规模停电。而且,随着时间的推移,我们的电网之间互联程度越来越高,因此今天的停电所造成的影响可能会蔓延到更远更广的地方。

这是一张在4800 nT/min地磁场扰动下,美国各州可能遭受损伤的变压器容量地图。损伤容量百分比高的地区可能会经历长达数年的电力中断。图像来源:Metatech公司的约翰·卡彭曼

很难预估这会给我们的生活带来多大的损失。当然,电灯会熄灭,互联网也会关闭,任何需要用电的设备都会关闭。大多数现代城市有电子控制市政供水,所以厕所和污水处理系统将停止工作。暖气和空调都会失灵,易变质的食物和药物会变质,自动取款机将毫无用处,气泵也会脱机等等。

全球定位系统(GPS)技术也将无法使用。古尔曼说:“GPS依赖于两点之间信号路线的精确计时,比如航天器和你的手机。如果大气层中突然出现很多高能粒子,就会影响你的GPS。如果考虑用GPS替代传统的飞行器着陆技术,情况就不容乐观了。”

其中一些影响可能会持续数年,而且在全球范围内都能感受到。“地球的整个磁场都在变化,所以整个地球都能感觉到,”伯格说。

很难想象数十亿渴求电力的人类突然失去电网而造成的社会后果,但我认为我们都很赞同这是非常不美好的。我们也很明白,其造成的经济损失也将是巨大的。美国国家科学院的报告估计,现在的一场卡林顿规模的事件带来的损失可能超过2万亿美元,这是卡特里娜飓风造成的损失的20倍。

重要的是要记住,我们不是在谈论一些遥不可及的、世界末日般的场景。事实上,在2012年7月,一次巨大的日冕物质抛射穿过了地球的轨道,与我们擦肩而过。这一事件是由美国宇航局的前导空间观测台(STEREO-A)接收到的,它的Dst值为-1200nT,该强度与卡林顿事件相当。

2014年,科罗拉多大学的太空气象学家丹尼尔·贝克告诉美国宇航局说:“如果2012年那次事件击中了我们,我们到现在还在收拾残局。有多少次这样规模的风暴与我们的地球和太空探测系统擦肩而过?这是一个迫切需要回答的问题。”

希望我们能在科技灾难降临之前制定一些明智的减缓政策。

得益于不断增加的太空气象观测站,与比20年前相比,我们能够更好地预测日冕物质抛射。尽管如此,多数太空气象科学家一致认为,如果现在发生一场巨大的太阳风暴袭击,我们就完蛋了。但我们正在努力改变这种状况。

白宫科技政策办公室成立了一个特别工作组,以探讨应对极端事件的方法。伯格说,他们在2015年10月份制定了一项国家太空气象战略。该战略概述了美国需要做些什么,以“更好地做好准备”。

伯格无法透露该政策的具体细节,但他暗示,这项政策会对电力供应商产生严重影响(目前,电力公司是通过重新分配变压器周围的电力来应对大型太阳风暴警报)。

与此同时,具有太空气象意识的地球人能做些什么呢?大多数的备灾常识都适用。制作应急物资套件,制定一个在手机出现故障时可以与亲人联系的计划,保持你的汽车油箱至少装满一半的汽油,随身携带备用电池,购买太阳能或者手摇充电器,以及备份你的数据。确保你有足够的备用铁棍——等等,那是应对僵尸末日才用的。

当然,你可以在美国国家海洋和大气管理局(NOAA)了解最新的太阳风暴警报。

资料来源:美国国家海洋和大气管理局空间天气预报中心;美国国家航空航天宇航局太阳动力学观测台;“太阳耀斑:如何形成X级?”;“连续日冕物质抛射引起的行星际空间极端风暴的观测”;“2012年7月的一次大规模太阳喷发事件:极端空间天气预测的界定”;“严峻的太空天气事件:了解其对社会和经济的影响”。

作者: Maddie Stone

FY: 李可

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